Új reaktortechnológia: rövidebb élettartamú hasadási termékek

Japán kutatók az eddiginél hatékonyabb módot találtak az atomreaktorokban keletkező radioaktív hulladékok kezelésére. Ennek lényege, hogy a radioaktív anyagot rövidebb élettartamú hasadási termékekké alakítják át azáltal, hogy egy kicsi és gyors reaktor magjának perifériáján keletkező többlet-neutronokat gyorsabban nyeletik el, mint ahogy azok keletkeznek. Az eredmény: a jövő generációknak kevesebb gondot okozó nukleáris hulladék. Cikkünk a kutatást ismertető sajtóközlemény nyomán készült.

A Tokyo Institute of Technology (TokyoTech) egy kutatócsoportja, a Tokohu és a Tokyo City egyetemekkel, valamint a japán atomenergia-ügynökséggel együttműködve új megközelítést ajánlott a radioaktív hulladékok elhelyezésének problémájára. A Scientific Reports^[1] online folyóiratban közölt új módszer lényeges mértékben, több száz, esetleg több ezer évről száz év alatti időtartamra csökkenti a hosszú élettartamú hasadási termékek (Long Life Fission Product – LLFP) effektív felezési idejét.
A nukleáris hulladékok tartós tárolása a mai kor nukleáris energetikájának egyik legnagyobb dilemmája. A probléma az, hogy mit kezdjünk a radioaktív hulladékkal azt követően, hogy az elhasznált nukleáris fűtőelemekből újrafeldolgozással (mint például a plutónium-uránium redox kivonás – PUREX) eltávolították az urániumot és a plutóniumot. Bár ma ezeknek a hulladékoknak a mélyen föld alá temetése látszik a leginkább járható útnak, számos stratégia kidolgozása van folyamatban azzal a céllal, hogy a kimerült nukleáris fűtőanyag tárolási problémáit csökkentsék. Ezek közül az egyik legígéretesebb a szelektív szétbontás és átalakítás (transzmutáció) stratégiája, (Partitioning & Transmutation – P&T). Ennek részeként a feldolgozandó hulladékot másodlagos aktinidákra és LLFP-kre bontják, majd ezeket a szelektív szétbontás (transzmutáció) módszerével gyorsabban bomló, rövidebb élettartamú elemekké alakítják át.
Mindeddig a P&T stratégia gyakorlati alkalmazását az gátolta, hogy az LLFP izotópokat a transzmutáció előtt költséges és nehézkes eljárásokkal kellett szétválasztani. Ráadásul néhány alacsony neutronbefogó képességű (kis hatáskeresztmetszetű) LLFP-izotóp nem is képes elegendő neutront befogni ahhoz, hogy a transzmutáció hatékonyan végbemehessen.

Az atomreaktorokban keletkező, lassan bomló izotópok radiotoxicitása néhány száztól néhány ezer évig tartó idő alatt csökken a természetes urán radiotoxicitásának szintje alá. A transzmutált bomlástermékek (világoskék vonal) esetében viszont ez néhányszor tíz év alatt megtörténik

A Tokyo Tech kutatása arra az eredményre vezetett, hogy az LLFP-magok gyorsreaktorokban hatékonyan transzmutálhatók az izotópok szétválasztása nélkül is. Yttrium-deuterid (YD₂) moderátor^[2] alkalmazásakor azt tapasztalták, hogy az LLFP transzmutációs hatékonyság jelentősen megnőtt a reaktorburkolat és sugárzásvédő árnyékolás közelében. A kutatók szerint ennek az oka „a reaktormagból szivárgó neutronok spektrumának lágyulása” (a lassabb neutronok feldúsulása a gyorsabbak rovására – A szerk. megj.).
A kutatócsoport hat hosszú élettartamú hasadási termékre koncentrált: a szelén 79-es, a cirkónium 93-as, a technécium 99-es, a palládium 107-es, a jód 129-es és a cézium 135-ös tömegszámú izotópjára. A számítások azt mutatják, hogy ezeknek az izotópoknak az effektív bomlási ideje egy-két nagyságrenddel rövidebb, tehát a tárolás és hűtés hosszú időtartama alatti teljes radiotoxicitás^[3] jelentős mértékben lecsökken.
Az ilyen kísérletekben a transzmutáció hatásfokának jellemző mutatószáma a transzmutálódó atomok száma a keletkező LLFP atomokéhoz viszonyítva. A kutatócsoport kimutatta, hogy ez a mutatószám mind a hat vizsgált LLFP esetében nagyobb 1-nél (azaz több, lassan bomló, hosszú ideig veszélyes atommag alakul át gyorsabban bomló izotópokra, mint amennyi keletkezik – A szerk. megj.), amely jelentős előrelépés a korábban elért eredményekhez képest. E módszer használatát feltételezve a kutatók azt állítják, hogy a Japánban jelenleg tárolt, 17 ezer tonnányi LLFP tíz gyorsreaktor segítségével feldolgozható lenne. A módszer előnye, hogy a felszabaduló hő villamosenergia-termelésre is hasznosítható, és támogatja azokat az erőfeszítéseket, amelyek a nukleáris energiatermelés káros következményeinek megakadályozására irányulnak.

(forrás: Tokyo Tech sajtóközleménye)

^[1] A világ egyik vezető tudományos folyóirata, a Nature kiadója által működtetett, nyílt hozzáférésű, multidiszciplináris online folyóirat. – A szerk. megj.

^[2] Moderátornak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek atommagjaival ütközve a hasadáskor keletkező gyors neutronok – kinetikus energiájuk jelentős részét elveszítve – újabb maghasadás előidézésére alkalmas, „lassú” neutronokká válnak. – A szerk. meg

^[3] A radioaktív anyagok biológiai veszélyességének mértéke – A szerk. megj. „A relatív radiotoxicitás azt adja meg, hogy egy adott izotóp vagy hulladékcsomag radiotoxicitása (a bioszférára, ill. az emberre való veszélyessége) hogyan aránylik az előállításához felhasznált, kibányászott természetes urán radiotoxicitásához. A végleges tárolónak tehát legalább annyi időre kell elszigetelnie a radioaktív anyagot a bioszférától, míg annak relatív radiotoxicitása 1 alá nem csökken.” – Idézet Fehér Sándor PhD „Radioaktív hulladékok transzmutációja” c. tanulmányából (http://www.matud.iif.hu/07jan/09.html)